自2019年工信部正式發(fā)放5G商用牌照以來(lái)，5G憑借其無(wú)線技術(shù)上低延遲、大帶寬和廣連接的特性，靈活的組網(wǎng)方式，支持多樣化的組網(wǎng)場(chǎng)景和使用需求，促使5G技術(shù)在倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)也隨即展開(kāi)了大量的研究和驗(yàn)證。近年來(lái)，5G技術(shù)的應(yīng)用已逐漸融入入庫(kù)、盤點(diǎn)、揀貨、出庫(kù)、配送等多個(gè)環(huán)節(jié)，極大提高了倉(cāng)儲(chǔ)物流的運(yùn)轉(zhuǎn)效率和服務(wù)質(zhì)量。

隨著5G標(biāo)準(zhǔn)向R16、R17、R18快速演進(jìn)，主要圍繞各大垂直行業(yè)應(yīng)用功能進(jìn)行拓展研究，推動(dòng)5G技術(shù)在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力、專網(wǎng)定制化能力、網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)極致化能力等方面不斷增強(qiáng)，其技術(shù)價(jià)值也將在垂直行業(yè)應(yīng)用中得到最大體現(xiàn)。

本文針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)物流場(chǎng)景，提出一種基于5G+TSN的智能倉(cāng)儲(chǔ)物流網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物流場(chǎng)景下智能終端全連接，并滿足時(shí)間同步、確定性傳輸、可靠性保障和多設(shè)備協(xié)同的靈活自動(dòng)化生產(chǎn)的需求。

1 5G+TSN技術(shù)

隨著IEEE 802.1時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，IEEE802.1和IEEE 802.3引入了一套確定性通信標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)支持以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通信。通過(guò)TSN大規(guī)模以太網(wǎng)可以實(shí)時(shí)傳輸適合工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，大大減少了對(duì)特定現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議和特定供應(yīng)商通信系統(tǒng)的需求。TSN技術(shù)將在時(shí)間同步、發(fā)送定時(shí)流量和集中的自動(dòng)化系統(tǒng)配置這3個(gè)方面進(jìn)一步增強(qiáng)。

5G系統(tǒng)被視為工業(yè)用例中無(wú)線通信的關(guān)鍵使能技術(shù)。與此同時(shí)，3GPP從一開(kāi)始就進(jìn)行了具有前瞻性的設(shè)計(jì)考慮，為工業(yè)用例定義了允許超高可靠低時(shí)延通信的技術(shù)特性。3GPP R15和R16中規(guī)定了各種技術(shù)特性以增強(qiáng)可靠性和提供低時(shí)延通信，主要包括更快的信令方案、流量?jī)?yōu)先級(jí)、控制系統(tǒng)的冗余性和魯棒性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。此外?GPP還明確了5G與TSN集成的技術(shù)框架，如圖1所示。允許5G與TSN集成的基本功能和特性已經(jīng)在3GPP R16和R17中完成。在5G+TSN集成框架中，5G系統(tǒng)被視為TSN邏輯網(wǎng)橋，其特性主要包括支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層流量控制、在5G網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用以太網(wǎng)頭壓縮技術(shù)（EHC）高效傳輸TSN以太網(wǎng)流量、端到端(E2E)時(shí)間同步、QoS差異化、將TSN流量的QoS流映射到5G QoS并進(jìn)行優(yōu)先級(jí)處理、5G+TSN互聯(lián)轉(zhuǎn)換功能等。

5G+TSN，即5G系統(tǒng)與TSN集成，基于5G URLLC的低時(shí)延高可靠能力，滿足TSN架構(gòu)的時(shí)間同步、低時(shí)延傳輸、高可靠性和資源管理四大嚴(yán)苛的功能需求。5G與TSN融合后，可通過(guò)5G NR無(wú)線替代倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)，讓工業(yè)生產(chǎn)更加柔性化。

TSN和5G融合應(yīng)用可具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(1) TSN可用于智能工廠的各個(gè)方面，并可與確定性外聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無(wú)縫連接。

(2) 5G技術(shù)顯著提高了智能工廠內(nèi)部網(wǎng)的確定性無(wú)線通信能力。

(3) 5G與TSN的融合為智能工廠內(nèi)部網(wǎng)提供了全覆蓋、確定性和低時(shí)延的通信保障。

(4) 5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可獨(dú)立于TSN系統(tǒng)。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以承載和使用TSN，與多個(gè)TSN域進(jìn)行橋接，幾乎滿足TSN的所有特性。

2 倉(cāng)儲(chǔ)物流場(chǎng)景應(yīng)用需求分析

倉(cāng)儲(chǔ)物流是現(xiàn)代物流行業(yè)中的一個(gè)主要組成部分，在物流體系中起著至關(guān)重要的作用。高效合理的倉(cāng)儲(chǔ)保證了貨物倉(cāng)庫(kù)管理各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)輸入的速度和準(zhǔn)確性，確保企業(yè)及時(shí)準(zhǔn)確地掌握庫(kù)存的真實(shí)數(shù)據(jù)，合理保持和控制企業(yè)庫(kù)存，從而幫助企業(yè)加快物資流轉(zhuǎn)，降低物資周轉(zhuǎn)成本，保障企業(yè)生產(chǎn)物資流轉(zhuǎn)暢通。

自5G商用以來(lái)，智能倉(cāng)儲(chǔ)物流作為物流行業(yè)信息化的一個(gè)重要領(lǐng)域，各大運(yùn)營(yíng)商和倉(cāng)儲(chǔ)物流企業(yè)均致力于探索5G網(wǎng)絡(luò)在倉(cāng)儲(chǔ)物流場(chǎng)景下的應(yīng)用。其中，2021年工信部印發(fā)的《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)計(jì)劃(2021-2023年)》中就明確提到了“5G+智慧物流”的發(fā)展方向。從現(xiàn)階段來(lái)看，智能倉(cāng)儲(chǔ)已初步實(shí)現(xiàn)百量級(jí)物聯(lián)設(shè)備同時(shí)接入，確保設(shè)備穩(wěn)固連接，安全作業(yè)。然而，隨著5G技術(shù)的飛速發(fā)展，智能倉(cāng)儲(chǔ)物流場(chǎng)景應(yīng)用對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)的需求也日益精細(xì)化，需要大量的終端設(shè)備進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，每個(gè)操作對(duì)時(shí)間精度和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性要求非常高。此外，倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)中智能終端設(shè)備的電纜布線過(guò)于復(fù)雜，限制了倉(cāng)儲(chǔ)物流業(yè)務(wù)朝著智能化和柔性化方向發(fā)展。因此，倉(cāng)儲(chǔ)物流通信網(wǎng)絡(luò)還需在低時(shí)延特性、可靠性和靈活性等方面有顯著提升?；诖耍?G+TSN技術(shù)滿足智能倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)景下大量工業(yè)終端設(shè)備之間的通信需求。

2.1 應(yīng)用場(chǎng)景分析

為了幫助倉(cāng)儲(chǔ)物流車間的數(shù)智化轉(zhuǎn)型，需搭建一套5G+TSN專網(wǎng)賦能智慧倉(cāng)儲(chǔ)物流環(huán)節(jié)應(yīng)用場(chǎng)景，接入各類智能終端，搭配WMS倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)和WCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程全生命周期的自動(dòng)化、可視化和數(shù)據(jù)化，有利于物流企業(yè)對(duì)物流物料狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)感知、倉(cāng)儲(chǔ)物流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、物流流轉(zhuǎn)過(guò)程精準(zhǔn)管理和智能導(dǎo)向全自動(dòng)化，提高倉(cāng)儲(chǔ)物流的作業(yè)效率。

目前，主流的智慧倉(cāng)儲(chǔ)物流應(yīng)用場(chǎng)景按照功能區(qū)域可劃分為儲(chǔ)存區(qū)、揀選區(qū)和分揀區(qū)3類。

(1）儲(chǔ)存區(qū)采用智能立體倉(cāng)庫(kù)方式，實(shí)現(xiàn)物資的密集存儲(chǔ)，大大提高倉(cāng)庫(kù)空間。通過(guò)部署在云端的倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WMS）和倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)（WCS）對(duì)儲(chǔ)存區(qū)域內(nèi)的各類智能終端進(jìn)行全面地調(diào)度和管理，從而完成物資自動(dòng)化出入庫(kù)工作，實(shí)現(xiàn)企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)管理精益化、操作簡(jiǎn)便化人性化，提高現(xiàn)代化物流企業(yè)生產(chǎn)管理水平。

(2）揀選區(qū)主要根據(jù)客戶訂單或銷售訂單，從庫(kù)存中選擇對(duì)應(yīng)物資商品進(jìn)行配送或發(fā)貨。揀選區(qū)域內(nèi)的各類智能終端在云端部署的倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)調(diào)度下，按訂單揀選出相應(yīng)的物資商品，并按訂單目的地進(jìn)行無(wú)人化搬運(yùn)，有效提升揀選效率和準(zhǔn)確率。

(3）分揀區(qū)主要是將已經(jīng)揀選好的商品按照目的地或其它分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分組、打包和標(biāo)記，以方便后續(xù)配送和交付。采用分揀機(jī)器人結(jié)合倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)平臺(tái)的運(yùn)作方式，大幅提升分揀效率，助力倉(cāng)儲(chǔ)物流企業(yè)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)無(wú)人化、自動(dòng)化和智能化。

2.2 核心物流設(shè)備應(yīng)用

隨著智慧倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)的飛速發(fā)展，AGV機(jī)器人可以在倉(cāng)庫(kù)里面代替人拖著貨架跑,可以大大減少倉(cāng)庫(kù)員工的走動(dòng),比人工提升99%的效率。由此可見(jiàn)，AGV智能移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人已成為智慧倉(cāng)儲(chǔ)物流核心設(shè)備之一，其可以利用5G+TSN時(shí)間同步、低時(shí)延傳輸和高可靠性的特性，實(shí)現(xiàn)AGV集群調(diào)度、協(xié)同控制和云化控制等功能，確保各類物資的精準(zhǔn)配送。

2.2.1 AGV集群調(diào)度

AGV是現(xiàn)代自動(dòng)化領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，近年來(lái)，隨著AGV技術(shù)不斷發(fā)展和完善，迅速在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。智能、柔性、安全的AGV無(wú)人搬運(yùn)使物流運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)化水平得到很大的提升。從網(wǎng)絡(luò)性能要求方面來(lái)看，雖然AGV實(shí)時(shí)控制所需的傳輸數(shù)據(jù)量很小，但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率很高，對(duì)時(shí)延要求也是非常嚴(yán)格。

2.2.2 AGV協(xié)同控制

在倉(cāng)儲(chǔ)物流運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，AGV小車和機(jī)械臂協(xié)同作業(yè)，可以提高運(yùn)輸效率和優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍?；诖?，考慮到協(xié)同過(guò)程中的安全性和可靠性，需要AGV小車和機(jī)械臂之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互和同步啟停，這也對(duì)通信時(shí)延提出了極為苛刻的要求。通信時(shí)延要控制在5～10μs，以便留給機(jī)電伺服系統(tǒng)更充裕的時(shí)間，各AGV之間時(shí)鐘同步也要求在1μs。

2.2.3 AGV云化控制

通過(guò)5G通信技術(shù)的云化技術(shù)，打造一流網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，鏈接多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)接，從而使AGV機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中活動(dòng)區(qū)域?qū)⒉皇芟?，按需到達(dá)各個(gè)地點(diǎn)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下快速切換工作模式來(lái)完成相應(yīng)的作業(yè)任務(wù)。在此基礎(chǔ)之上，5G技術(shù)具有的大帶寬和低延時(shí)特性使得AGV云化視覺(jué)導(dǎo)航應(yīng)用成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。可將AGV內(nèi)置攝像頭采集的視頻/圖像/文本數(shù)據(jù)經(jīng)5G網(wǎng)絡(luò)上傳至云端，在云端進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算分析，這樣無(wú)需在每個(gè)AGV設(shè)備內(nèi)置嵌入式GPU處理器和AI算法，可大幅度降低AGV設(shè)備成本。

視覺(jué)導(dǎo)航一般要求至少每100 ms周期必須刷新上傳一次視覺(jué)幀以及下發(fā)位置信息，以防碰撞。上傳和下發(fā)的時(shí)延要控制在20 ms以內(nèi)，以便給云端的圖像處理和位置計(jì)算留出寬裕的時(shí)間。

3 基于5G+TSN的智能倉(cāng)儲(chǔ)物流網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

結(jié)合倉(cāng)儲(chǔ)物流通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀、應(yīng)用場(chǎng)景和5G技術(shù)發(fā)展最新現(xiàn)狀的綜合分析，5G技術(shù)驅(qū)動(dòng)智能倉(cāng)儲(chǔ)物流專網(wǎng)建設(shè)，與5G系統(tǒng)橋接的TSN技術(shù)是融合信息技術(shù)和運(yùn)營(yíng)技術(shù)的重要橋梁。5G技術(shù)與TSN技術(shù)的融合應(yīng)用，在通信機(jī)制和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層面實(shí)現(xiàn)真正意義的互聯(lián)互通，將會(huì)重新定義現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。總而言之，5G+TSN技術(shù)有望成為下一代連接各智能終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，滿足智能倉(cāng)儲(chǔ)物流復(fù)雜多變業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制需求。

基于5G+TSN的智能倉(cāng)儲(chǔ)物流網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)如圖2所示。以倉(cāng)儲(chǔ)物流場(chǎng)景下的3個(gè)功能分區(qū)為示例，有線運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)采用時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用5G網(wǎng)絡(luò)。控制層面，由TSN應(yīng)用功能(AF)網(wǎng)元與UPF中網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（NW-TT）和終端側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（DS-TT）交互，實(shí)現(xiàn)5G+TSN網(wǎng)橋端口配置及管理功能。用戶層面，各類智能終端通過(guò)終端側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器接入支持TSN的5G網(wǎng)絡(luò)，外部TSN則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器接入支持TSN的5G網(wǎng)絡(luò)，中間的5G網(wǎng)絡(luò)作為連接TSN系統(tǒng)終端側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)間的透明橋接網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能終端與外部TSN控制器的時(shí)間敏感通信，滿足智能倉(cāng)儲(chǔ)物流管理和運(yùn)轉(zhuǎn)等業(yè)務(wù)所需的低時(shí)延、高可靠和靈活的傳輸特性。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G技術(shù)與各大垂直行業(yè)應(yīng)用的深度融合勢(shì)必將成為移動(dòng)通信系統(tǒng)未來(lái)演進(jìn)的核心內(nèi)容。其中，“確定性網(wǎng)絡(luò)+工業(yè)制造”發(fā)展將是重點(diǎn)關(guān)注的方向之一。本文介紹了5G+TSN技術(shù)，并針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)物流場(chǎng)景進(jìn)行深入研究，提出一種基于5G與TSN兩者融合部署的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)融合，滿足各類智能終端生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡脱舆t和高可靠性需求。然而，5G+TSN技術(shù)的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，仍存在一些亟待解決的問(wèn)題，包括技術(shù)融合、場(chǎng)景適配和產(chǎn)業(yè)生態(tài)不成熟等。未來(lái)，隨著5G技術(shù)創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)程加快，5G+TSN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)及增強(qiáng)技術(shù)將逐步完善，推動(dòng)其與行業(yè)應(yīng)用深度融合，打造更多典型應(yīng)用場(chǎng)景，引領(lǐng)智能倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)智慧升級(jí)。